童明良教授課題組在高穩定性球狀镧系納米團簇用于核磁共振成像研究中取得新進展

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI），又稱為自旋成像（Spin imaging），是利用核磁共振原理，依據所釋放的能量在物質内部不同結構環境中衰減差異産生的電磁波被外加梯度磁場監測從而繪制成物質内部的結構圖像。在臨床診斷中，為了提高某些疾病的MRI圖像質量，需要使用造影劑（又稱對比劑）來縮短成像時間，提高成像的對比度和清晰度。由順磁性Gd(III)離子與有機螯合配體制成的钆螯合物具有穩定性高、磁矩大和電子弛豫時間長等特點，是目前臨床上常用的一類磁共振造影劑。這類造影劑通常為單核钆基螯合物，其Gd(III)的含量較低，需要較高的劑量才能顯示出有效的對比度及分辨率。然而，高劑量使用Gd(III)基造影劑會對腎髒等帶來毒副作用。離子型高核钆簇具有尺寸的高度均一性和良好的水溶性，如果穩定性及生物相容性問題能得到有效解決，有望在分子水平高度聚集Gd(III)離子，在MRI造影劑方面具有更誘人的應用前景。因此，發展穩定的低劑量高核钆簇聚集體應用于MRI的研究極具挑戰且至關重要。

童明良教授課題組采用溶劑熱合成技術構築了一種高穩定性的球狀高核Ho₃₂和Gd₃₂納米團簇陽離子（圖1a）。所有Ln(III)離子都分布在球形團簇的表面并通過豐富的氧負離子和氫氧根離子連接，有利于提升水分子以氫鍵方式與Gd₃₂團簇的結合能力。帶負電性的有機配體則從球面外側将簇核緊緊包裹住，有效保障了Ln₃₂團簇在溶液中的穩定性（圖1b）。紫外-可見吸收光譜證實了Ln₃₂在pH值1-14的溶液裡相當穩定。具有不同離子源能量的高分辨電噴霧質譜（HRESI-MS）也證實了上述團簇的溶液态穩定性（圖1c）。此外，通過時間依賴的HRESI-MS追蹤了團簇的形成過程，并提出了可能的形成機理（圖1d-1f）。

圖1. 球狀Gd₃₂納米團簇的結構（a和b）、溶液中的穩定性（c）及其質譜追蹤形成過程（d-f）。

毒理實驗和MTT實驗證實Gd₃₂納米團簇具有良好的生物相容性和較低的細胞毒性。在1 T磁場強度下，Gd₃₂的縱向和橫向弛豫率r₁和r₂的值分别為265.87和324.96 mM^-1·s^-1（圖 2b）。相同磁場強度下，目前臨床所用的MRI造影劑钆噴酸葡胺注射液（gadopentetic acid, Gd-DTPA）的r₁和r₂分别為4.55和5.77 mM^-1·s^-1。與之相比，Gd₃₂納米團簇顯示出更高的弛豫值。r₂ / r₁ = 1.22（r₂ / r₁ < 2）表明Gd₃₂具有T₁加權MRI造影劑的巨大潛力。此外，分别通過尾靜脈注射相同Gd(III)含量的Gd₃₂與Gd-DTPA進入攜帶4T1腫瘤模型的BALB/c小鼠體内，Gd₃₂具有比Gd-DTPA更清晰的MRI成像對比度及對腫瘤部位更佳的顯示效果。由此可見，具有高度聚集Gd(III)的Gd₃₂納米團簇在溶液及細胞層面均顯示出優于Gd-DTPA的MRI成像對比度（圖2c和2d）。

圖2. (a) 球狀Gd₃₂納米團簇應用于腫瘤診斷示意圖；(b) Gd₃₂與Gd-DTPA分别在1 T和3 T磁場條件下的縱向和橫向弛豫率r₁和r₂對比圖；不同濃度的Gd₃₂與Gd-DTPA分别在1 T和3 T磁場條件下的溶液成像對比圖(c)及細胞成像對比圖(d)

上述研究成果以“High-Stability Spherical Lanthanide Nanoclusters for Magnetic Resonance Imaging”為題，發表在綜合性學術期刊《國家科學評論》（National Science Review, 2023, 10(4), nwad036）。太阳集团1088vip為該成果的第一完成單位，論文第一作者為太阳集团1088vip博士研究生汪海玲和上海師範大學化學與材料科學學院博士研究生劉冬琳，論文通訊作者為太阳集团1088vip童明良教授和上海師範大學化學與材料科學學院楊仕平教授。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和廣東省珠江人才計劃的資助支持。

論文信息：

Hai-Ling Wang, Dong-Lin Liu, Jian-Hua Jia, Jun-Liang Liu, Ze-Yu Ruan, Wei Deng, Shi-Ping Yang, Si-Guo Wu, Ming-Liang Tong, High-Stability Spherical Lanthanide Nanoclusters for Magnetic Resonance Imaging, National Science Review, 2023, 10(4), nwad036.

全文鍊接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad036